Defluorination of Water by the “Inline” Coagulation–Ultrafiltration Method

104 Наукові вісті НТУУ "КПІ" 2017 / 3 УДК [628.161.2:546.16]544.77.022.822+544.725.7 DOI: 10.20535/1810-0546.2017.3.104575 Т.Ю. Дульнева*, Л.А. Деремешко, Д.Д. Кучерук Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського, Київ, Україна ЗНЕФТОРЕННЯ ВОДИ МЕТОДОМ “ІНЛАЙН” КОАГУЛЯЦІЇ—УЛЬТРАФІЛЬТРАЦІЇ Background. The various methods used for water defluorination (sedimentation, coagulation, ion exchange, etc.) cannot be used at high (10 mg/dm3) content of fluorides. Therefore, the development of new high-performance methods of water purification from ions of F is extremely important and relevant. Objective. Determination of the effectiveness of the process of water defluorination by “inline” coagulation—UF method. Methods. Dosing of coagulant into a stream of “inline” water, followed by using the ultrafiltration method with domestic tubular ceramic membranes from clay minerals. Results. The influence of duration of process, the initial concentration of the ions F and Fе3+ in solution and its pH on the concentration of ions F in permeate and specific performance of the Jv of the membrane has been investigated. It is shown that for water defluorination with the concentration of the starting solution F value of 5.0— 10.5 mg/dm3 and Fе3+  17,0—32,0 mg/dm3, with рН 3,0—3,5 and P  1.0 MPa the concentration of ions F and Fе3+ permeate was at the level of their MCL in drinking water. Conclusions. The high efficiency of water defluorination by “inline” coagulation—UF method using coagulant FeCl3·6H2O has been shown. The parameters of the specified process by which water purification from ions of F and Fe3+ to norms of maximum permissible concentration in drinking water are determined. The expediency of using the method for water defluorination in an acidic medium followed by its neutralization is justified. Keywords: ceramic membrane; “inline” coagulation; ultrafiltration; ions F; ions Fe3+. Вступ Згідно з вимогами ВООЗ і медичними нормативами вміст фтору в питній воді не повинен перевищувати 1,5 мг/дм3 [1]. В Україні нормативне значення концентрації фтору становить 0,7—1,5 мг/дм3 [2], але в деяких регіонах для водопостачання використовують воду з підвищеним некондиційним вмістом фтору (до 10 мг/дм3) [3]. Найгостріше ця проблема відчувається на території деяких районів Полтавської області. На сьогодні для знефторення джерел питного водопостачання застосовують методи адсорбції, осадження, коагуляції тощо [4—6]. Зокрема, метод адсорбції, що ґрунтується на використанні свіжоосадженого гідроксиду алюмінію, неможливо застосовувати за високого (більше 10 мг/дм3) вмісту фторидів через велику залишкову концентрацію алюмінію в очищеній питній воді [4]. Пошук нових підходів до вирішення цієї проблеми вимагає використання альтернативних методів знефторення води. На сьогодні для очищення природних вод від органічних речовин використовують відносно новий комбінований метод “інлайн” коагуляції—ультрафільтрації (УФ) [7]. Висока ефектив* corresponding author: ність цього процесу зумовлена безпосереднім дозуванням коагулянту в потік “інлайн” води з подальшим її ультрафільтруванням. Однак даних щодо очищення води від неорганічних іонів, зокрема фторидів, цим методом не існує. Постановка задачі Метою роботи є визначення ефективності процесу знефторення води методом “інлайн” коагуляції—УФ. Методика експерименту Дослідження проведено на баромембранній установці, що мала вітчизняну ультрафільтраційну керамічну мембрану трубчастого типу з глинистих мінералів [8], у проточно-рециркуляційному режимі [9]. За експериментальними даними були визначені питома продуктивність Jv (м3/(м2·год) мембрани [10] та концентрації F і Fe3+ (мг/дм3) в очищеній воді (пермеаті). Як коагулянт використано сіль FeCl3·6H2O. Очищенню підлягали розчини солі NaF. Аналіз на вміст F здійснювали відповідно до методики [11] за допомогою фторселективного електрода EJHC121F та іономіра I-160MI, а концентрацію Fe3+ 105 ПРОБЛЕМИ ХІМІЇ ТА ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ аналізували на пристрої С-115 М методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії [12]. Результати і їх обговорення крива 2) у результаті формування на ній динамічної мембрани із гідроксосполук іонів Fe3+, а потім практично не змінювалось, що свідчило про стаціонарний режим її роботи.  Попередньо встановлено, що для дослідження зазначеного процесу найдоцільніше використовувати робочий тиск 1,0 МПа [13]. Це давало можливість підвищити затримувальну здатність керамічної мембрани до іонів F завдяки закупорюванню її пор гідроксосполуками Fe3+ за відносно вищого значення Jv. Як відомо [14], гідроксокомплекси заліза у водному середовищі полімеризуються і разом із гідроксофторидними комплексами заліза утворюють частки золю, склад яких залежить від рН, концентрації реагуючих речовин, температури, а також від аніонного складу середовища. На ступінь вилучення фторид-іонів із води вирішальний вплив має величина електрокінетичного заряду (-потенціалу) утворених частинок золю, який визначає їх здатність до коагуляції, що своєю чергою значною мірою залежить від рН середовища [15]. Найбільш повний перебіг процесу коагуляції відбувається при рН 6,3—6,6, коли величина -потенціалу частинок золю, що визначається ізоелектричною областю потенціалів, наближається до нуля. Зі збільшенням рН оброблюваної води ступінь її очищення від іонів F зменшується. На рис. 1, крива 1 показано, що зі збільшенням тривалості τ фільтрування до 60 хв вихідного розчину з концентрацією Cвих.F  10,5 мг/дм3 і Cвих.Fe3+  32,0 мг/дм3 при pHвих.  3,5 і P   1,0 МПа концентрація F− у пермеаті (Cперм.F) хоча і збільшувалась, але знаходилась на рівні їх гранично допустимої концентрації (ГДК) у питній воді (0,7—1,5 мг/дм3). Збільшення Cперм.F можна пояснити зменшенням адсорбційної ємності гідроксосполук Fe3+, а зниження значення Jv мембрани — закупорюванням ними ж її пор. Зі збільшенням концентрації F у вихідному розчині від 7,4 до 10,5 мг/дм3 при Cвих.Fe3+   25,3 мг/дм3, pHвих. 3,0, P  1,0 МПа і   60 хв концентрація F− у пермеаті різко зростала, але не перевищувала верхньої границі їх ГДК у питній воді (1,5 мг/дм3) (рис. 2, крива 1). При Cвих.F−  7,4 мг/дм3 значення Cперм.F було меншим, ніж нижня границя їх ГДК (0,7 мг/дм3) (рис. 2, крива 1). Значення Jv керамічної мембрани за цих умов дещо зменшувалось (рис. 2, Jv, м3/(м2год) Сперм.F , мг/дм3 1,5 1 0,06 1,2 0,05 0,9 0,04 0,6 0,03 0,3 2 0 20 40 60 0,02 0,01 80 , хв Рис. 1. Залежності концентрації Сперм.F− (1) у пермеаті та питомої продуктивності Jv мембрани (2) від тривалості τ процесу знефторення води Як видно з рис. 3, крива 1, збільшення концентрації Fe3+ у вихідному розчині від 17,0 до 22,5 мг/дм3 при Cвих.F−  5,0 мг/дм3, pHвих 3,0— 3,3, P  1,0 МПа і   60 хв практично не впливало на значення Cперм.Fe3+, яке при цьому відповідало їх ГДК у питній воді (0,2 мг/дм3). При подальшому зростанні Cвих.Fe3+ різко збільшувалося значення Cперм.Fe3+, що не відповідало нормі ГДК (рис. 3, крива 1). Слід зазначити, що у всьо (...truncated)